مهمة نظام التشغيل

الشرح

ما هو نظام التشغيل؟

نظام التشغيل برنامج أساسي يدير عتاد الحاسوب، ويقدّم خدمات مشتركة للبرامج التي تعمل عليه، أي خدمات تحتاجها كل البرامج فلا يضطر كل برنامج إلى صنعها بنفسه. وهو أول برنامج كبير يبدأ العمل عندما تشغّل الجهاز، ويظل يعمل حتى تُطفئه.

أمثلة قد تعرفها:

نظام التشغيل ليس هو الشاشة التي تراها أمامك (فـ"سطح المكتب" مجرد جزء واحد منه)، وليس تطبيقًا من التطبيقات. إنه الطبقة التي تعتمد عليها كل التطبيقات.

الطبقات

التطبيقات في الطبقة العليا، وهي لا تتحكم في العتاد مباشرة. عندما يحتاج التطبيق إلى شيء، مثل قراءة ملف، أو الرسم على الشاشة، أو إرسال بيانات عبر الشبكة، فإنه يطلب ذلك من نظام التشغيل، ونظام التشغيل هو الذي يتعامل مع العتاد. ويُسمّى هذا النوع من الطلبات استدعاء نظام (system call). لا تحتاج إلى كتابة هذه الاستدعاءات الآن. يكفي أن تعرف أن التطبيقات تطلب، وأن نظام التشغيل ينفّذ.

الجزء الأساسي من نظام التشغيل الذي يتولّى هذه الأعمال الحساسة، التي لا يُسمح لأي برنامج آخر بها، يُسمّى نواة نظام التشغيل (kernel). انتبه: كلمة "نواة" هنا تعني الـ kernel، وهي شيء مختلف تمامًا عن "أنوية المعالج" (cores) التي عرفتها في الدرس 2. وكثيرًا ما يقول الناس "Linux" وهم يقصدون نواة Linux ومعها البرامج الأخرى المحيطة بها. سنستخدم في هذا الدرس عبارة "نظام التشغيل"، ولن نذكر الـ kernel إلا عندما يفيد ذلك.

لماذا لا نترك كل برنامج يستخدم العتاد مباشرة؟

تخيّل مطبخًا يستطيع فيه كل طاهٍ أن يدخل مكان عمل أي طاهٍ آخر، فيأخذ من مكوّناته، ويُطفئ أي موقد يريده. ستكون فوضى. والبرامج فيها أخطاء برمجية (bugs)، وبعضها يكتبه أشخاص لا تثق بهم. لو استطاع كل برنامج أن يلمس العتاد مباشرة، فقد يكفي خطأ واحد لتعطيل الجهاز كله، وقد يقرأ برنامج خبيث كلمات المرور الخاصة بك.

عندما يقف نظام التشغيل بين البرامج والعتاد، يحصل الجهاز على ثلاث فوائد:

• المشاركة. تستطيع برامج كثيرة أن تستخدم وحدة معالجة واحدة، وذاكرة واحدة، وجهاز تخزين واحدًا بشكل عادل.
• الحماية. يمكن منع البرنامج من الوصول إلى ذاكرة البرامج الأخرى وملفاتها.
• البساطة. يكفي المبرمج أن يقول "احفظ هذا الملف"، دون أن يحتاج إلى معرفة طريقة عمل كل نوع من الأقراص.

المهام الرئيسية

1. توزيع وقت وحدة المعالجة المركزية (جدولة العمليات)

البرنامج وهو يعمل يُسمّى عملية (process)، وسيشرح الدرس التالي هذا المفهوم بالتفصيل. يكون على الحاسوب عادةً عمليات كثيرة، لكن عدد أنوية المعالج (cores) قليل. (وقد عرفت في الدرس 2 أن نواة المعالج تشبه طاهيًا واحدًا في المطبخ.) ونظام التشغيل هو الذي يقرر أي عملية تعمل على وحدة المعالجة، ولأي مدة. وهذا ما يُسمّى الجدولة (scheduling).

يترك نظام التشغيل كل عملية تعمل لفترة قصيرة جدًا تُسمّى شريحة زمنية (time slice)، ثم ينتقل إلى عملية أخرى، ثم أخرى، وهكذا في دورة متكررة، مرات كثيرة في الثانية الواحدة. ولأن هذا التبديل سريع جدًا، يبدو لك أن كل شيء يعمل في وقت واحد. أما إذا كان في المعالج عدة أنوية، فإن بعض العمليات تعمل فعلًا في اللحظة نفسها، كل واحدة على نواة معالجة مختلفة. وهذا هو تشبيه الطاهي مرة أخرى: طاهٍ واحد يتنقّل بسرعة بين الأطباق، أو عدة طهاة يعملون معًا في الوقت نفسه.

2. إدارة الذاكرة

نظام التشغيل هو المسؤول عن سطح العمل (الذاكرة العشوائية RAM). فهو يعطي كل برنامج مقدار الذاكرة الذي يطلبه، ويتتبّع أي جزء مع أي برنامج، ثم يستردّ الذاكرة عندما ينتهي البرنامج. ويتأكد أيضًا من أن أي برنامج لا يستطيع أن يقرأ ذاكرة برنامج آخر أو يكتب فوقها.

وعندما لا تكفي الذاكرة، تستطيع أنظمة التشغيل الحديثة أن تنقل بعض البيانات مؤقتًا إلى التخزين، وهو أبطأ بكثير، لتفسح مكانًا في الذاكرة، ثم تعيد تلك البيانات عند الحاجة إليها. هذا يُبقي الجهاز يعمل، لكن ببطء. وقد رأيت هذا الأثر في الدرس 2، المثال 3. وستأتي التفاصيل في وحدات لاحقة.

3. إدارة الملفات والتخزين

القرص نفسه لا يحتوي إلا على بايتات (bytes) خام، بلا أسماء ولا مجلدات. ونظام التشغيل يضيف فوقها نظام الملفات (file system): أي تنظيم البيانات في ملفات ومجلدات لكل منها اسم وحجم وتاريخ. وعندما يقول برنامج "افتح report.docx"، يبحث نظام التشغيل عن مكان تلك البايتات على القرص، وينسخها إلى الذاكرة العشوائية.

4. التواصل مع الأجهزة (برامج التشغيل)

هناك آلاف الأنواع من لوحات المفاتيح والطابعات وبطاقات الرسوميات (كروت الشاشة) وبطاقات الشبكة. وبرنامج التشغيل (driver) برنامج صغير، يأتي عادةً مع الجهاز أو مع نظام التشغيل، ويعرف كيف يتواصل مع نوع واحد من الأجهزة. ويستخدم نظام التشغيل برامج التشغيل حتى تستطيع التطبيقات أن تستخدم "طابعة" دون أن تعرف طرازها.

5. التحكّم في الوصول (المستخدمون والصلاحيات)

يعرف نظام التشغيل من الذي يستخدم الجهاز، وما المسموح به لكل مستخدم ولكل برنامج. فمثلًا، لا يستطيع المستخدم العادي أن يغيّر ملفات النظام، ولا يستطيع مستخدم أن يقرأ الملفات الخاصة بمستخدم آخر. وتختلف التفاصيل من نظام تشغيل إلى آخر.

6. توفير واجهة المستخدم

يوفّر نظام التشغيل أيضًا طريقة يستخدم بها الناس الجهاز: نوافذ وسطح مكتب، أو واجهة تعمل باللمس، أو سطر أوامر تكتب فيه الأوامر نصًا. وكثير من الخوادم ليس لها شاشة أصلًا، وتُدار عن بُعد عبر الشبكة باستخدام سطر الأوامر.

نظام التشغيل مقابل التطبيق

يُكتب كل تطبيق لنظام تشغيل معيّن (أو لعدد قليل من الأنظمة)، ولهذا تجد بعض التطبيقات متاحة لـ Windows وغير متاحة لـ macOS، إلا إذا صنعت الشركة المطوّرة نسخة لكل منهما.